GRAPES_GEPS全球集合预报方法及系统

摘要

本发明属于天气预报技术领域，公开了一种GRAPES_GEPS全球集合预报方法及系统，系统包括：预处理模块、奇异向量基态初值生成模块、初始奇异向量计算模块、控制预报初值生成模块、扰动场生成及集合预报成员扰动初值生成模块、控制预报积分模块、模式扰动参数生成及30个集合预报成员模式积分模块、后处理模块及演化奇异向量计算模块。本发明实现了南半球、北半球及热带气旋区域初始奇异向量法在全球GRAPES_GEPS系统中的应用，使用模式扰动SPPT方案与SKEB方案来体现模式本身的不确定性，可为业务服务提供丰富的以GRAPES全球模式为基础的概率预报指导产品，也为预报员提供更多的预报参考信息。

说明书

技术领域

本发明属于天气预报技术领域，尤其涉及GRAPES_GEPS全球集合预报方法及系统。

背景技术

目前，数值天气预报已成为业务天气预报中最为核心的工具之一,但大气的固有混沌属性以及数值模式初始场、物理过程当中存在的诸多不确定性都限制了单一模式的可预报性。由于集合预报提供了一种估计大气状态概率密度函数的方法，从本质上符合大气演变的混沌特征，可提供比单一确定性预报更高的预报技巧评分，还可以对预报不确定性进行定量估计并为业务预报提供概率指导，因而已在数值预报业务体系中起着非常重要的作用。但是在集合预报系统研究和建立的过程中，扰动初值的生成技术是核心技术问题之一。仅使用初值扰动的集合预报系统存在集合成员不够发散、集合预报系统可靠性不足的缺陷。

全球中期集合预报是国际先进数值预报中心的主要业务组成部分。美国国家环境预报中心、欧洲中期天气预报中心早于1992年建立了各自的全球集合预报系统，中国气象局于2006年底建立了以增值向量法(BGM)为初值扰动方法的全球集合预报系统；2008年建立了基于BGM初值扰动方法的T213全球集合预报系统，集合预报成员15个，预报时效10天；2014年该系统升级为T639全球集合预报，初值扰动仍然为BGM方法，同时考虑了模式不确定性的SPPT方法，预报时效为15天，受扰动方法本身的限制，集合成员数还是15个。扰动初值的生成技术是集合预报系统研究和建立的核心技术问题之一，奇异向量方法是目前国际上比较先进的初值扰动产生技术，SVs初值扰动技术在ECMWF全球集合预报系统中得到了成功的应用，此外，加拿大、日本气象局等也实现了基于奇异向量的集合预报系统，还有其它的一部分国家正在这方面投入大量的研究工作。2018年中国气象局数值预报中心自主研发的GRAPES全球集合预报系统(GRAPES_GEPS)通过业务化验收评审，标志着我国建成了以自主研发的GRAPES为核心的全球确定性和集合预报系统，并对台风、环境响应、海浪等专业模式提供支撑的完备的数值天气预报体系。

现有技术方案主要有以下几种：

采用奇异向量(SVs)初值扰动方法构建全球集合预报实验方法，但是其仅使用初值扰动的集合预报系统存在集合成员不够发散、集合预报系统可靠性不足的缺陷。

采用初值奇异向量扰动的试验(INISV试验)，但是其不能在一定程度上减小GRAPES-GEPS高度场的系统性负偏差特征，系统的集合离散度不足。

为了进一步增加集合离散度，提高系统的可靠性，仅使用随机物理倾向扰动方案(SPPT方案)或者仅使用随机动能补偿方案(SKEB方案)；但是其不能够进一步增加不同预报变量的集合离散度，并且在一定程度上减小集合平均误差，尤其是在热带地区。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)采用奇异向量(SVs)初值扰动方法构建全球集合预报实验方法仅使用初值扰动的集合预报系统存在集合成员不够发散、集合预报系统可靠性不足的缺陷。

(2)采用初值奇异向量扰动的试验不能在一定程度上减小GRAPES-GEPS高度场的系统性负偏差特征，系统的集合离散度不足。

(3)仅使用随机物理倾向扰动方案(SPPT方案)或者仅使用随机动能补偿方案(SKEB方案)不能够进一步增加不同预报变量的集合离散度，并且在一定程度上减小集合平均误差，尤其是在热带地区。

解决以上问题及缺陷的难度为：

要能够寻找出一种扰动方法，满足以上条件。

解决以上问题及缺陷的意义为：

1.为了使集合预报系统存在集合成员发散、集合预报系统具有可靠性。

2.能够在一定程度上减小GRAPES-GEPS高度场的系统性负偏差特征，系统的集合离散度增高。

3.能够进一步增加不同预报变量的集合离散度，并且在一定程度上减小集合平均误差，尤其是在热带地区。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了GRAPES_GEPS全球集合预报方法及系统，具体涉及一种高度场的系统性负偏差特征(GRAPES_GEPS)全球集合预报方法、系统及介质。

本发明是这样实现的，高度场的系统性负偏差特征全球集合预报方法，包括：

步骤一，对海温资料进行预处理；对GRAPES全球四维变分资料同化系统(GRAPES-4DVAR)同化分析产生的0.25度分辨率初值，利用动力升尺度技术插值至2.5度分辨率，形成奇异向量基态初值；

步骤二，根据Lanczos算法计算北半球和南半球对应的初始奇异向量；对GRAPES全球四维变分资料同化系统(GRAPES-4DVAR)同化分析产生的0.25度分辨率初值，利用动力升尺度技术插值至0.5度分辨率，得到GRAPES全球集合预报控制预报初值；

步骤三，利用初始奇异向量和演化奇异向量，通过线性组合构建15个扰动场，并将控制预报初值加/减15个扰动场,构建得到第1至第30个集合预报成员的扰动初值；

步骤四，利用0.5度分辨率的GRAPES_GFS_2-1-2-2模式和0.5度控制预报初值进行积分360h积分，得到控制预报积分结果；生成30个集合预报成员SPPT和SKEB模式扰动方案所需的参数；

步骤五，利用加入模式扰动SPPT和SKEB方案的模式运行，进行30个集合预报成员的360h积分，得到30个扰动成员预报结果；进行高度场的系统性负偏差特征(GRAPES_GEPS)全球集合预报；

步骤六，根据北半球和南半球对应的初始奇异向量，积分切线性模式，得到演化奇异向量，进行预报结果检测。

进一步，步骤二中，所述根据Lanczos算法计算北半球和南半球对应的初始奇异向量还包括：当起始时刻存在热带气旋时，计算以热带气旋区域为目标区域的初始奇异向量。

进一步，所述步骤三包括：

基于公式产生初值扰动场，对GRAPES模式分析场进行成对(，)加减计算，构建出2*M个集合预报的扰动初值。

进一步，所述步骤三包括以下步骤：

(1)从配置文件namelist.svd中读取SV的配置信息；

(2)分别对NH SVs、SH SVs和TCSVs进行读取，将读取的NH SVs、SH SVs和TCSVs合并为全球SVs扰动；

(3)对全球SVs扰动场进行尺度化处理；对尺度化后的SVs扰动场进行高斯线性组合，产生m个初值扰动场；

(4)对m个初值扰动场进行水平插值和平滑处理，在模式分析场上对m个初值扰动场进行加减处理，得到2*m个集合预报初值场。

进一步，所述参数包括：随机种子、扰动量大小、随机扰动波数、失时间相关系数及其他参数。

进一步，所述业务集合预报产品包括：箱线图数据、台风路径集合预报数据。

本发明的另一目的在于提供一种高度场的系统性负偏差特征全球集合预报系统包括：

预处理模块，用于对海温资料进行预处理；

奇异向量基态初值生成模块，用于对GRAPES-4DVAR(GRAPES全球四维变分资料同化系统)同化分析产生的0.25度分辨率初值，利用动力升尺度技术插值至2.5度分辨率，形成奇异向量基态初值；

初始奇异向量计算模块，用于根据Lanczos算法计算北半球和南半球对应的初始奇异向量；同时用于当起始时刻存在热带气旋时，计算以热带气旋区域为目标区域的初始奇异向量；

控制预报初值生成模块，用于对GRAPES-4DVAR(GRAPES全球四维变分资料同化系统)同化分析产生的0.25度分辨率初值，利用动力升尺度技术插值至0.5度分辨率，得到GRAPES全球集合预报控制预报初值；

扰动场生成及集合预报成员扰动初值生成模块，用于利用初始奇异向量和演化奇异向量，通过线性组合构建15个扰动场，并将控制预报初值加/减15个扰动场,构建得到第1至第30个集合预报成员的扰动初值；

控制预报积分模块，用于利用0.5度分辨率的GRAPES_GFS_2-1-2-2模式和0.5度控制预报初值进行积分360h积分，得到控制预报积分结果；

模式扰动参数生成及30个集合预报成员模式积分模块，用于生成30个集合预报成员SPPT和SKEB模式扰动方案所需的参数；利用加入模式扰动SPPT和SKEB方案的模式运行，进行30个集合预报成员的360h积分，得到30个扰动成员预报结果；

后处理模块，用于进行GRAPES_GEPS全球集合预报；

演化奇异向量计算模块，用于根据北半球和南半球对应的初始奇异向量，积分切线性模式，得到演化奇异向量。

进一步，所述后处理模块包括：

积分数据统一后处理单元，用于将所有集合成员二进制预报结果转换为GRIB2(计算机无关的压缩的二进制编码)格式数据；

常规集合预报产品后处理单元，用于利用统一后处理的GRIB2(计算机无关的压缩的二进制编码)格式的集合预报结果，生成业务集合预报产品；

极端天气集合预报产品后处理单元，用于利用集合预报成员数据、模式气候数据和历史气候数据，计算生成地面要素极端预报指数、集合预报成员偏差订正数据及距平异常产品、2m温度异常概率预报产品。

本发明另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行所述高度场的系统性负偏差特征全球集合预报方法，包括下列步骤：

步骤一，对海温资料进行预处理；对GRAPES-4DVAR(GRAPES全球四维变分资料同化系统)同化分析产生的0.25度分辨率初值，利用动力升尺度技术插值至2.5度分辨率，形成奇异向量基态初值；

步骤二，根据Lanczos算法计算北半球和南半球对应的初始奇异向量；对GRAPES-4DVAR(GRAPES全球四维变分资料同化系统)同化分析产生的0.25度分辨率初值，利用动力升尺度技术插值至0.5度分辨率，得到GRAPES全球集合预报控制预报初值；

步骤三，利用初始奇异向量和演化奇异向量，通过线性组合构建15个扰动场，并将控制预报初值加/减15个扰动场,构建得到第1至第30个集合预报成员的扰动初值；

步骤四，利用0.5度分辨率的GRAPES_GFS_2-1-2-2模式和0.5度控制预报初值进行积分360h积分，得到控制预报积分结果；生成30个集合预报成员SPPT和SKEB模式扰动方案所需的参数；

步骤五，利用加入模式扰动SPPT和SKEB方案的模式运行，进行30个集合预报成员的360h积分，得到30个扰动成员预报结果；进行GRAPES_GEPS全球集合预报；

步骤六，根据北半球和南半球对应的初始奇异向量，积分切线性模式，得到演化奇异向量，进行预报结果检测。

本发明另一目的在于提供一种信息数据处理终端所述信息数据处理终端包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述高度场的系统性负偏差特征全球集合预报方法。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

本发明在GRAPES全球集合预报业务化运行系统技术研发中，改进了仅使用初值扰动的集合预报系统存在集合成员不够发散、集合预报系统可靠性不足的缺陷，从而能够进一步增加不同预报变量的集合离散度，并且在一定程度上减小集合平均误差，尤其是在热带地区。实现了南半球、北半球及热带气旋区域等三个目标区初始奇异向量法在全球GRAPES_GEPS系统中的应用，使用模式扰动SPPT方案与SKEB方案来体现模式本身的不确定性，开发了极端天气集合预报产品。从全球集合预报系统输出的各预报要素，满足不同时空尺度需求的角度进行讨论，其可预报性能够为模式研发人员，一线预报员和用户提供参考。尤其是对大气可预报性的深入研究，对于从科学与技术角度全面提升数值预报系统水平非常重要。当能够确定可预报性的真实来源时，模式研发人员就能够有针对性地修改与完善。将传统的可预报性研究与改进的能够更客观地表述预报不确定性的集合预报相结合，所得可预报性将提供另一种有价值的参考。可为广大用户提供这些概率预报的信心指数，也可为业务服务提供丰富的以GRAPES全球模式为基础的概率预报指导产品，对带动预报员在预报业务中深入使用概率预报产品并服务于社会是非常有益的，也为预报员提供更多的预报参考信息。

附图说明

图1是本发明实施例提供的GRAPES_GEPS全球集合预报方法流程图。

图2是本发明实施例提供的GRAPES_GEPS全球集合预报系统运行流程图。

图3是本发明实施例提供的GRAPES_GEPS全球集合预报系统结构示意图；

图中：1、预处理模块；2、奇异向量基态初值生成模块；3、初始奇异向量计算模块；4、控制预报初值生成模块；5、扰动场生成及集合预报成员扰动初值生成模块；6、控制预报积分模块；7、模式扰动参数生成及30个集合预报成员模式积分模块；8、后处理模块；9、演化奇异向量计算模块。

图4是本发明实施例提供的基于GRAEPS奇异向量的集合预报初值扰动生成流程图。

图5(a)是本发明实施例提供的在SV_SPPT(蓝色线)与SV_SPPT_SKEB(红色线)试验中热带地区850hPa纬向风场u(a)的集合离散度(虚线)与集合平均误差(实线)随预报时效的演变示意图。

图5(b)是本发明实施例提供的在SV_SPPT(蓝色线)与SV_SPPT_SKEB(红色线)试验中热带地区850hPa经向风场v(b)的集合离散度(虚线)与集合平均误差(实线)随预报时效的演变示意图。

图5(c)是本发明实施例提供的在SV_SPPT(蓝色线)与SV_SPPT_SKEB(红色线)试验中热带地区850hPa温度t(c)的集合离散度(虚线)与集合平均误差(实线)随预报时效的演变示意图。

图5(d)是本发明实施例提供的在SV_SPPT(蓝色线)与SV_SPPT_SKEB(红色线)试验中热带地区850hPa位势高度h(d)的集合离散度(虚线)与集合平均误差(实线)随预报时效的演变示意图。

图6是本发明实施例提供的GRAPES_GEPS系统后处理及产品制作流程图。

图7是本发明实施例提供的2018年9月16日12UTC的GRAPES_GEPS全球集合预报集合平均和离散度图。

图8是本发明实施例提供的2018年9月16日12UTC的GRAPES_GEPS全球集合预报集合分位数产品图。

图9是本发明实施例提供的2018年9月16日12UTC的GRAPES_GEPS全球集合预报集合分位数面条图产品图。

图10是本发明实施例提供的GRAPES_GEPS全球集合预报集合分位数邮票图产品图。

图11是本发明实施例提供的2018年9月16日12UTC的GRAPES_GEPS全球集合预报集合分位数概率分布图。

图12(a)是本发明实施例提供的集合初值扰动成员4的位温扰动水平结构(模式面25层)。

图12(b)是本发明实施例提供的集合初值扰动成员4的沿北纬50度的垂直剖面。

图13是本发明实施例提供的平行试验期间GRAPES_GEPS V1.0全球集合预报系统和T639_EPS全球集合预报系统预报效果综合评分卡。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高度场的系统性负偏差特征全球集合预报方法、系统及介质，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的高度场的系统性负偏差特征全球集合预报方法包括：

S101，对海温资料进行预处理；对GRAPES-4DVAR(GRAPES全球四维变分资料同化系统)同化分析产生的0.25度分辨率初值，利用动力升尺度技术插值至2.5度分辨率，形成奇异向量基态初值；

S102，根据Lanczos算法计算北半球和南半球对应的初始奇异向量；对GRAPES-4DVAR(GRAPES全球四维变分资料同化系统)同化分析产生的0.25度分辨率初值，利用动力升尺度技术插值至0.5度分辨率，得到GRAPES全球集合预报控制预报初值；

S103，利用初始奇异向量和演化奇异向量，通过线性组合构建15个扰动场，并将控制预报初值加/减15个扰动场,构建得到第1至第30个集合预报成员的扰动初值；

S104，利用0.5度分辨率的GRAPES_GFS_2-1-2-2模式和0.5度控制预报初值进行积分360h积分，得到控制预报积分结果；生成30个集合预报成员SPPT和SKEB模式扰动方案所需的参数；

S105，利用加入模式扰动SPPT和SKEB方案的模式运行，进行30个集合预报成员的360h积分，得到30个扰动成员预报结果；进行GRAPES_GEPS全球集合预报；

S106，根据北半球和南半球对应的初始奇异向量，积分切线性模式，得到演化奇异向量，进行预报结果检测。

本发明实施例提供的根据Lanczos算法计算北半球和南半球对应的初始奇异向量还包括：当起始时刻存在热带气旋时，计算以热带气旋区域为目标区域的初始奇异向量。

本发明实施例提供的步骤S103包括：

基于公式产生初值扰动场，对GRAPES模式分析场进行成对(，)加减计算，构建出2*M个集合预报的扰动初值。

本发明实施例提供的步骤S103包括以下步骤：

(1)从配置文件namelist.svd中读取SV的配置信息；

(2)分别对NH SVs、SH SVs和TCSVs进行读取，将读取的NH SVs、SH SVs和TCSVs合并为全球SVs扰动；

(3)对全球SVs扰动场进行尺度化处理；对尺度化后的SVs扰动场进行高斯线性组合，产生m个初值扰动场；

(4)对m个初值扰动场进行水平插值和平滑处理，在模式分析场上对m个初值扰动场进行加减处理，得到2*m个集合预报初值场。

本发明实施例提供的参数包括：随机种子、扰动量大小、随机扰动波数、失时间相关系数及其他参数。

本发明实施例提供的业务集合预报产品包括：箱线图数据、台风路径集合预报数据。

如图2-图3所示，本发明实施例提供的高度场的系统性负偏差特征全球集合预报系统包括：

预处理模块1，用于对海温资料进行预处理；

奇异向量基态初值生成模块2，用于对GRAPES-4DVAR(GRAPES全球四维变分资料同化系统)同化分析产生的0.25度分辨率初值，利用动力升尺度技术插值至2.5度分辨率，形成奇异向量基态初值；

初始奇异向量计算模块3，用于根据Lanczos算法计算北半球和南半球对应的初始奇异向量；同时用于当起始时刻存在热带气旋时，计算以热带气旋区域为目标区域的初始奇异向量；

控制预报初值生成模块4，用于对GRAPES-4DVAR(GRAPES全球四维变分资料同化系统)同化分析产生的0.25度分辨率初值，利用动力升尺度技术插值至0.5度分辨率，得到GRAPES全球集合预报控制预报初值；

扰动场生成及集合预报成员扰动初值生成模块5，用于利用初始奇异向量和演化奇异向量，通过线性组合构建15个扰动场，并将控制预报初值加/减15个扰动场,构建得到第1至第30个集合预报成员的扰动初值；

控制预报积分模块6，用于利用0.5度分辨率的GRAPES_GFS_2-1-2-2模式和0.5度控制预报初值进行积分360h积分，得到控制预报积分结果；

模式扰动参数生成及30个集合预报成员模式积分模块7，用于生成30个集合预报成员SPPT和SKEB模式扰动方案所需的参数；利用加入模式扰动SPPT和SKEB方案的模式运行，进行30个集合预报成员的360h积分，得到30个扰动成员预报结果；

后处理模块8，用于进行GRAPES_GEPS全球集合预报；

演化奇异向量计算模块9，用于根据北半球和南半球对应的初始奇异向量，积分切线性模式，得到演化奇异向量。

本发明实施例提供的后处理模块8包括：

积分数据统一后处理单元，用于将所有集合成员二进制预报结果转换为GRIB2(计算机无关的压缩的二进制编码)格式数据；

常规集合预报产品后处理单元，用于利用统一后处理的GRIB2(计算机无关的压缩的二进制编码)格式的集合预报结果，生成业务集合预报产品；

极端天气集合预报产品后处理单元，用于利用集合预报成员数据、模式气候数据和历史气候数据，计算生成地面要素极端预报指数、集合预报成员偏差订正数据及距平异常产品、2m温度异常概率预报产品。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1：

1.基于奇异向量的初值扰动程序设计

基于公式产生初值扰动场，对GRAPES模式分析场进行成对(，)加减计算，构建出2*M个集合预报的扰动初值。具体实现全球GRAPES SVs构造集合预报扰动初值的实现方案，如图4。

全球GRAPES SVs的计算在南、北半球中高纬度和热带气旋附近区域三个目标区域分别进行。在不同的目标区域，得到的SVs个数不同。通过如下流程把这三个目标区域的GRAEPS SVs线性组合成集合预报的初值扰动场：

(1)从配置文件namelist.svd中读取SV的配置信息；

(2)分别对NH SVs、SH SVs和TCSVs进行读取，把它们合并为全球SVs扰动；

(3)对全球SVs扰动场进行尺度化处理；

(4)对尺度化后的SVs扰动场进行高斯线性组合，产生m个初值扰动场；

(5)对m个初值扰动场进行水平插值和平滑处理，滤去那些超出分析误差量值较多的个别数值，以保证集合预报的稳定性和初值扰动的合理性；

(6)最后在模式分析场上对这m个初值扰动场进行加减处理，得到2*m个集合预报初值场。

2.集合预报初值扰动场结构分析

为了进一步研究利用GRAEPS SVs来构造集合预报初值扰动方案的合理性，对所构造的集合预报初值扰动场进行了结构分析。下面以2013年5月7日00UTC的试验结果为例进行展开。其中，GRAPES全球模式的奇异向量计算方案如表1所示。在这里，模式初值场采用FNL资料，模式分辨率为水平为0.5°×0.5°，垂直为60层。

表1GRAPES SVs试验的计算配置

图12给出了2013年5月7日00UTC试验中经线性组合后生成的扰动成员4在模式面25层(约500hPa)上的位温扰动的水平结构(图12a)，及其沿北纬50度的位温扰动的垂直结构(图12b)。可以看出，位温扰动场的水平分布和量级较为合理，垂直剖面也呈现出典型的随高度向西倾斜的斜压结构特征，符合奇异向量扰动本身所体现的天气尺度大气的不稳定性特征。

3.SPPT与SKEB方案相结合的模式扰动技术

在GRAPES_GEPS系统模式扰动技术的研发过程中，首先研究的是SPPT方案，进行SKEB方案研发时，SPPT方案已经得到成熟应用。因而，在GRAPES_GEPS系统中引入了SKEB方案之后，更关心的是，在使用了模式扰动SPPT方案的基础之上继续使用SKEB方案会产生怎么的影响。于是，在单独分析了SPPT方案与SKEB方案的影响后，又进行了如下两组集合预报试验，如表2所示：仅使用模式扰动SPPT方案的SV_SPPT试验、同时使用模式扰动SPPT与SKEB方案的SV_SPPT_SKEB试验。通过对比分析这两组试验的结果来确定SKEB方案的应用能否进一步改善GRAPES_GEPS系统。

表2GRAPES_GEPS系统集合预报试验方案

SPPT方案与SKEB方案的影响主要集中在热带地区，由图5可以看到，在SPPT方案基础之上，SKEB方案的使用能够进一步增加不同预报变量的集合离散度，并且在一定程度上减小了集合平均误差。这表明SKEB方案是已有SPPT方案的一个较好的补充，可将两种模式扰动方案同时应用于GRAPES_GEPS系统。

4.GRAPES全球集合预报系统构建

基于前面的主要关键技术：(1)适合集合预报应用的GRAPES全球奇异向量技术方案；(2)基于奇异向量的GRAPES_GEPS初值扰动生成技术；(3)体现GRAPES全球模式物理过程不确定性的SPPT模式扰动技术；(4)补偿GRAPES全球模式动能耗散的SKEB模式扰动技术；(5)热带气旋奇异向量扰动技术；(6)常规集合预报产品和极端天气集合预报产品后处理技术。在中国气象局曙光PAI-SUGON高性能计算机上，基于ECFLOW技术构建的系统运行流程的调度，通过并发调度和并发数控制机制，建立了GRAPES_GEPS全球集合预报系统。该系统技术参数详见表3。

表3GRAPES_GEPS全球集合预报系统参数

GRAPE_GEPS系统运行流程如图3所示。该系统将资料预处理、奇异向量求解、集合预报成员积分模式、产品后处理技术等多项模块集成到一起。GRAPES_GEPS全球集合预报的后处理主要集成了三个后处理模块：31个集合预报成员积分数据统一后处理、常规集合预报产品后处理、极端天气预报产品后处理。后处理及产品的具体制作流程如图6所示。集合预报检验模块搭载于业务检验平台，产品后处理完成后开始对预报结果进行检验。各模块的主要功能简述如下：

(1)海温资料预处理。对海温资料进行预处理。输出结果存储于曙光高性能计算机的文件系统中，为奇异向量的计算和模式积分提供输入数据。

(2)奇异向量基态初值的生成。对GRAPES-4DVAR(GRAPES全球四维变分资料同化系统)同化分析产生的0.25度分辨率初值，利用动力升尺度技术插值到2.5度分辨率，形成奇异向量基态初值，用于奇异向量的计算。输入是0.25度GRAPES-4DVAR(GRAPES全球四维变分资料同化系统)同化分析初始场，输出是2.5度初值。输出结果存储于曙光高性能计算机的文件系统中，为奇异向量的计算提供输入数据。

(3)初始奇异向量的求解。根据Lanczos算法求解北半球和南半球对应的初始奇异向量。如果起始时刻存在热带气旋(最多6个)，则还需要计算以热带气旋区域为目标区域的初始奇异向量。输入是2.5度奇异向量基态初值，输出是2.5度初始奇异向量。输出结果存储于曙光高性能计算机的文件系统中，为扰动初值的生成提供输入数据。

(4)控制预报初值的生成。对GRAPES-4DVAR(GRAPES全球四维变分资料同化系统)同化分析产生的0.25度分辨率初值，利用动力升尺度技术插值到0.5度分辨率，得到GRAPES全球集合预报控制预报初值。输入是0.25度GRAPES-4DVAR同化分析场，输出是0.5度控制预报初值，输出结果存储于曙光高性能计算机的文件系统中，为模式积分提供输入数据。

(5)扰动场的生成及集合预报成员扰动初值的生成。利用初始奇异向量和演化奇异向量，通过线性组合构建15个扰动场，并将控制预报初值加/减15个扰动场,构建出第1至第30个集合预报成员的扰动初值。扰动场的输入量为2.5度初始奇异向量和演化奇异向量，输出为入是输出0.5度扰动场。集合预报成员扰动初值的输入为0.5度控制预报初始场和0.5扰动场。输出结果存储于曙光高性能计算机的文件系统中，为模式积分提供集合预报成员扰动初值数据。

(6)控制预报积分。利用0.5度分辨率的GRAPES_GFS_2-1-2-2模式和0.5度控制预报初值进行积分360h积分，得到控制预报积分结果。输入数据为0.5度控制预报初值，输出为360h预报时效内逐6h预报结果。输出结果存储于曙光高性能计算机的文件系统中。

(7)模式扰动参数生成及30个集合预报成员模式积分。生成30个集合预报成员SPPT和SKEB模式扰动方案所需的随机种子、扰动量大小、随机扰动波数、失时间相关系数等参数，利用加入模式扰动SPPT和SKEB方案的模式运行程序，完成30个集合预报成员的360h积分，得到30个扰动成员预报结果。输入数据为30个扰动初值、随机种子、扰动量大小、随机扰动波数、失时间相关系数等参数，输出为360h预报时效内逐6h预报结果。输出结果存储于曙光高性能计算机的文件系统中。

(8)集合预报成员积分数据统一后处理。统一后处理将所有集合成员二进制预报结果转换为GRIB2(计算机无关的压缩的二进制编码)格式数据，用于产品后处理和结果存档。该转换过程在某一时次集合预报结果生成后立即开启，为产品后处理提供及时的GRIB2(计算机无关的压缩的二进制编码)数据。

(9)常规集合预报产品后处理。利用统一后处理的GRIB2(计算机无关的压缩的二进制编码)格式的集合预报结果，生成业务集合预报产品。常规集合预报产品模块将生成集合预报箱线图数据、台风路径集合预报数据。

(10)极端天气集合预报产品后处理。利用集合预报成员数据、模式气候数据和历史气候数据等，计算生成地面要素极端预报指数、集合预报成员偏差订正数据及距平异常产品、2m温度异常概率预报产品等。

(11)演化奇异向量的求解。根据北半球和南半球对应的初始奇异向量，积分切线性模式，得到演化奇异向量。输入是2.5度奇异向量基态初值和初始奇异向量，输出为2.5度演化奇异向量。输出结果存储于曙光高性能计算机的文件系统中。

下面结合仿真实验对本发明的技术效果做进一步说明。

1.集合平均和离散度的图如图7，其中等值线表示集合平均，填色表示离散度。左图是覆盖中国范围的2米温度，右图是北半球的500百帕位势高度。色调越深表示离散度越大，可预报性越低。

2.集合分位数产品图如图8。这类图形是针对24小时累积降水的产品。左图是众数分布图，反映大多数集合成员的预报结果；右图是最大值图，该图形往往在小雨量级上表现出空报，但对较大量级的降水强度有比较好的指示作用。

3.面条图产品图如图9。是针对500百帕高度的产品。通过运用所有的集合成员预报结果来绘制一些特定的等值线(比如500hpa高度场的584、588等位势米等值线)，并由此反映高度场的可预报性。如果所有的预报成员的等值线在图上较紧密，表示可预报性较高；而如果所有的预报成员的等值线在图上像一盘散乱的面条一般，则表示可预报性较低。

4.邮票图产品图如图10。这类图形是针对24小时累积降水的产品。邮票图由一系列集合预报成员预报结果绘制的等值线图组成，预报员可以通过邮票图了解到各个集合成员预报的可能发生的情况，从而估计出极端天气发生的可能性。

5.概率分布图如图11。这类图形是通过选取某些要素如24小时累积降水、10米风速等作为对象，在设定的阈值条件下估算事件发生的概率。这类图形属于集合预报系统的核心产品。

证明部分(具体实施例/实验/仿真/药理学分析/能够证明本发明创造性的正面实验数据等)

1.平行试验检验评估

(1)预报能力综合评价

图13给出了平行试验期间(2018年9月1日-2018年10月31日共计61天)综合评分卡，可以看出，北半球风场、除热带地区风场、北半球850hpa温度场外，GRAPES_EPS和T639_EPS相比，总体有改进或相当；热带地区各要素全面改进。

综上，本发明提供的GRAPES全球集合预报业务化运行系统技术研发中，改进了仅使用初值扰动的集合预报系统存在集合成员不够发散、集合预报系统可靠性不足的缺陷，从而能够进一步增加不同预报变量的集合离散度，并且在一定程度上减小集合平均误差，尤其是在热带地区。实现了南半球、北半球及热带气旋区域等三个目标区初始奇异向量法在全球GRAPES_GEPS系统中的应用，使用模式扰动SPPT方案与SKEB方案来体现模式本身的不确定性，开发了极端天气集合预报产品。可为业务服务提供丰富的以GRAPES全球模式为基础的概率预报指导产品，对带动预报员在预报业务中深入使用概率预报产品并服务于社会是非常有益的，也为预报员提供更多的预报参考信息。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。